公布日：2023.10.27
申请日：2023.07.13
分类号：C02F1/14(2023.01)I;C02F1/72(2023.01)I;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本发明涉及一种光伏/光热耦合驱动的污水处理装置及方法，该装置或方法通过将光伏板与电解装置集成使光伏装置为电解装置供电，且利用光伏装置的热量加热污水，使污水转换为气态水，并使污水中的VOCs以气体状态逃逸，通过电解装置处理气态的水和气态的VOCs，避免了将电解装置置于水中导致的VOCs降解不彻底和电解装置易被腐蚀的问题，光伏板的热量能够降低氧化还原反应的能垒，提升羟基生产效率。
权利要求书
1.一种光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：包括容器：用于容纳待处理污水；光伏板：置于所述容器的开口处，用于吸收太阳光转换为电能，光伏板的吸光侧朝向容器外，背光侧朝向容器内；导水带：用于将待处理污水输送至光伏板处，所述光伏板对污水进行加热蒸发产生水蒸气，并挥发出待处理污水中的VOCs；电解装置：置于容器内且置于待处理污水水面上方，所述电解装置包括阴极和阳极，在所述阴极处，氧气得电子转换为双氧水，双氧水与金属离子反应得到羟基自由基，所述羟基自由基用于降解水中VOCs。
2.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述电解装置满足以下其一或多者的结合：—在所述阳极处水蒸气失电子转换为氧气和氢质子；—所述阳极和阴极通过所述光伏板供电；—通过曝气装置为所述阴极提供氧气。
3.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述导水带为柔性材料，一端或两端或多端浸渍在待处理污水中，中间区域贴合所述光伏板背光侧设置，待处理污水由浸渍在待处理污水中的导水带输送至中间区域，并在所述中间区域加热蒸发释放水蒸气和VOCs。
4.根据权利要求3所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述导水带为吸水棉布，所述吸水棉布的周侧竖直向下延伸至待处理污水中，中间区域贴合光伏板的背光侧，吸水棉布与水面之间形成容纳腔，所述电解装置置于所述容纳腔内，电解装置置于吸水棉布中间区域的正下方。
5.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述电解装置中各器件由靠近光伏板向远离光伏板依次为阴极、隔膜和阳极，所述阴极与光伏板之间的距离为1～10cm。
6.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述阴极材料为Ti3C2，所述阴极材料的制备方法为：将Ti3AlC2置于酸溶液中进行酸刻蚀，去除Ti3AlC2中的Al元素，获得Ti3C2材料；酸刻蚀时间为4h，刻蚀温度为80℃，所述酸溶液为30mol/L的氢氟酸溶液。
7.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述阴极材料为Ti3C2，且Ti3C2为Mxene材料；在所述阴极处发生反应：O2+2H++2e→H2O2式一Ti3++H2O2→Ti4++OH-+·OH式二Ti4++e→Ti3+式三在所述阳极处发生反应：2H2O-2e→O2+4H+；阴极生产的·OH用于降解VOCs。
8.根据权利要求1所述的光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，其特征在于：所述电解装置满足以下其一或两者的结合：—阳极材料为Cu、Pt、Ti、Ni、石墨中的一种；—在阴极和阳极之间设置隔膜，所述隔膜为全氟质子交换膜，所述隔膜为阴极和阳极反应提供离子通道。
9.一种将光伏/光热耦合驱动的污水处理方法，其特征在于：借助光伏板的废热加热待处理污水使污水释放出水蒸气和VOCs的混合气体；电解所述混合气体降解所述VOCs；所述电解装置与光伏板集成，电解装置包括阳极和阴极，光伏板为所述电解装置供电，所述光伏板的热量用于加热待处理污水和促进阴极反应。
10.根据权利要求9所述的将光伏/光热耦合驱动的污水处理方法，其特征在于：所述电解装置的阴极材料为Mxene材料中的Ti3C2，所述Ti3C2将双氧水转换为羟基自由基，所述羟基自由基用于降解VOCs；所述Ti3C2的制备方法为：将Ti3AlC2置于酸溶液中进行酸刻蚀，去除Ti3AlC2中的Al元素，获得Ti3C2材料；酸刻蚀时间为4h，刻蚀温度为80℃，所述酸溶液为30mol/L的氢氟酸溶液；采用激光刻蚀的方式对获得的Ti3C2材料造Ti缺陷，获得Ti缺陷-Ti3C2材料。
发明内容
本发明为了解决现有技术中VOCs降解效率低的问题，提供了一种光伏/光热耦合驱动的污水处理装置及方法，该装置或方法通过将光伏板与电解装置集成使光伏装置为电解装置供电，且利用光伏装置的热量加热污水，使污水转换为气态水，并使污水中的VOCs以气体状态逃逸，通过电解装置处理气态的水和气态的VOCs，避免了将电解装置置于水中导致的VOCs降解不彻底和电解装置易被腐蚀的问题，光伏板的热量能够降低氧化还原反应的能垒，提升H2O2生产效率。
基于上述目的，本发明一方面提供了一种光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，装置包括容器、光伏板、导水带和电解装置，容器用于容纳待处理污水；光伏板用于置于所述容器的开口处，吸收太阳光转换为电能，所述光伏板密封所述容器的开口使所述容器内空间密闭；导水带用于将待处理污水输送至光伏板处，所述光伏板对污水进行加热蒸发产生水蒸气，并挥发出待处理污水中的VOCs；电解装置置于容器内且置于待处理污水水面上方，所述电解装置包括阴极和阳极，在所述阴极处，氧气得电子转换为双氧水，双氧水与金属离子反应得到羟基自由基，所述羟基自由基用于降解水中VOCs。电解装置电解的是光伏装置加热污水所产生的气体，电解装置所需的氧气可通过曝气装置输送。该电解装置无需置于污水中，减少了被污水腐蚀的可能性，电解装置电解气态的VOCs，相较于电解水体中的VOCs，可避免VOCs溢出空气中，导致空气污染；该装置集成了光伏板，光伏板一方面可通过绿色环保的方式为电解装置提供电源，另一方面为污水转换为气态水提供热量，再一方面还可以降低氧化还原反应能垒，提高反应效率。
作为一种优选方案，本发明中的电解装置的阴极处通入氧气或向水中爆入氧气，氧气释放至电解装置所处的空间内并在阴极处反应，氧气在阴极处转换为双氧水，双氧水与阴极电极材料作用产生羟基自由基，羟基自由基用于降解挥发的VOCs气体。
作为一种优选方案，本发明中的阴极材料为Mxene材料中的Ti3C2，该材料不仅具有氧化还原性，能够将双氧水持续不断的转换为羟基自由基，而且具有良好的导电性和二维层状结构，可自由流动电子，增加电子传输能力，无需额外电子传输材料。在阴极处发生的反应如下：
O2+2H++2e→H2O2式一
Ti3++H2O2→Ti4++OH-+·OH式二
Ti4++e→Ti3+式三
作为一种优选方案，本发明中的阳极材料为Cu、Pt、Ti、Ni、石墨中的一种，在阳极处发生反应：2H2O-2e→O2+4H+，在阴极和阳极之间设置有隔膜，隔膜用于阴极和阳极之间实现质子交换。
作为一种优选方案，本发明中的导水带为柔性材料，至少一端延伸至污水中，中间区域贴合在光伏板背侧，光伏板加热该区域的导水带，使水转换为气态水，同时释放水中的VOCs气体，本发明中的导水带通过输水通道或毛细作用力将吸水的污水输送至中间区域，为中间区域源源不断的提供水分。作为一种优选，导水带为吸水棉布，该棉布的周侧均竖直向下延伸至水体中，中间区域贴合在光伏板背光侧，棉布与水面形成一容纳腔，该容纳腔优选为封闭空间，电解装置设置在该空间内，该设置一方面使蒸发的水或VOCs均落入该空间，有利于与电解装置充分接触，使VOCs降解，另一方面有利于存储光伏板所产生的热量，使电解装置置于较高温度空间内，降低电解装置的反应能垒，增加羟基自由基的生产效率。
作为一种优选方案，电解装置的阴极和阳极上下相对设置，其中阴极在上，且靠近光伏板，其与光伏板之间的距离以1～10cm为优，在该距离内光伏板加热产生的气体首选与阴极接触，并及时反应，另外光伏板的热量也能够第一时间传递至阴极，提升阴极反应的效率。
作为一种优选方案，阴极和阳极之间的隔膜为全氟质子交换膜，所述隔膜为阴极和阳极反应提供离子通道。
作为一种优选方案，阴极电极材料Ti3C2的制备方法为：通过酸刻蚀Ti3AlC2获得的Ti3C2材料；酸刻蚀技术用酸为氢氟酸、硫酸、硝酸中的一种或几种，这几种酸具有强氧化性能，不仅可与Ti3AlC2中的Al元素发生反应，去除Al元素，获得Ti3C2材料，而且使形成的Ti3C2材料为二维层状的MXene材料，有利于电子传输；所述的酸刻蚀时间为0.5～48h，充足的刻蚀时间，可确保Ti3AlC2中Al元素的有效去除，低于该时间无法有效刻蚀去除Al元素，高于该时间会破坏生成的Ti3C2材料结构，使其导电性能受损；所述的酸刻蚀温度为40～180℃，通过调控刻蚀温度，以确保Al元素充分的去除，低于该温度会影响刻蚀效率，高于该温度导致高温副反应产生，影响材料的质量；所述的酸氧化刻蚀用酸浓度为1～30mol/L，通过调控酸浓度，可确保Al元素充分的去除。
作为一种优选方案，阳极材料为Cu、Pt、Ti、Ni、石墨中的一种；
作为一种优选方案，光伏板为单晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物中的一种；
另一方面，本发明提供了一种将光伏/光热耦合驱动的污水处理方法，该方法首先将污水加热蒸发，使水转换为水蒸气并释放水中有机污染物VOCs，通过电解装置处理所释放的混合气体，混合气体中含水蒸气、VOCs和氧气，电解装置包括阴极和阳极，在阴极处氧气转换为双氧水，双氧水与阴极电极材料反应得到羟基自由基，羟基自由基用于降解释放的VOCs。
作为一种优选方案，阴极电极材料为Ti3C2，且Ti3C2为MXene材料。
本发明所产生的有益效果包括：(1)本发明提供了光伏/光热耦合驱动的污水处理装置，该装置实质是一种光伏/光热耦合驱动非接触式Ti3C2基电芬顿处理VOCs污水装置，该装置通过将光伏技术、光热技术和电芬顿技术高效结合，形成光电/光热-芬顿降解手段，显著提高污水中VOCs的原位高效处理能力，呈现出了结构简单、成本低廉和效果显著等优势。
(2)本发明以绿色可再生的太阳能作为唯一能量来源，以低碳环保的光伏板提供电能取代传统电芬顿装置中的外部电源，同时巧妙且高效地借助光伏板产生的废热降低氧还原反应能垒，增加H2O2产量，并利用Ti3C2材料的高导电性和Ti4+/Ti3+之间的价态变化，实现·OH的高效生产，提升装置的工作效率。此外，新型非接触式结构设计可避免极板材料与VOCs污水直接接触，进而可确保整体装置长效稳定运行。
(3)本发明提供的VOCs污水原位处理装置，可作为移动污水处理器，结构灵活，便于运输和组装，在近零能耗情况下达到了VOCs污水的无害化处理，适应当今市场的需求，具有广泛的市场前景和显著的社会效益。
（发明人：徐炜超）
